منبع تغذیه سوئیچینگ ۱۴۰۱/۰۳/۲۸ منبع تغذیه سوئیچینگ اگر بخواهید بدانید منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟ باید بگوییم منبع تغذیه سوئیچینگ که در بازار با عنوان پاور سوئیچینگ نیز شناخته می شود، نوعی مدار الکترونیکی است که با استفاده از سوئیچینگ با فرکانس بالا، توان الکتریکی را به ولتاژ و جریان مورد نیاز مدار تبدیل و تنظیم می کند. این منابع در مقایسه با منابع تغذیه خطی، معمولا بازده بالاتری دارند و به همین دلیل می توان آنها را با ابعاد و وزن کمتر برای تامین توان تجهیزات مختلف به کار برد. منبع تغذیه سوئیچینگ می تواند برای تبدیل ولتاژ AC به DC یا تبدیل یک سطح ولتاژ DC به سطحی دیگر استفاده شود. به همین دلیل، از شارژرها و تجهیزات الکترونیکی گرفته تا تابلوهای صنعتی، تجهیزات شبکه، سیستم های روشنایی و دستگاه های اتوماسیون صنعتی کاربرد دارد. در ادامه می بینیم منبع تغذیه سوئیچینگ چگونه کار می کند، چه اجزایی دارد، انواع آن چیست، کجا استفاده می شود و هنگام انتخاب آن باید به چه مشخصاتی توجه کرد. انواع منبع تغذیه به طور کلی، دو نوع منبع تغذیه وجود دارد که عبارتند از: منبع تغذیه خطی (Linear Regulated Power Supply) منبع تغذیه سوئیچینگ (Switched Mode Power Supply) یا SMPS تفاوت اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ و خطی در روش تنظیم توان است. در منبع تغذیه خطی، بخشی از انرژی اضافی به صورت گرما تلف می شود، اما در منبع تغذیه سوئیچینگ، ترانزیستور قدرت با سرعت بالا بین حالت روشن و خاموش تغییر وضعیت می دهد تا انرژی با تلفات کمتری منتقل شود. به همین دلیل، منابع سوئیچینگ معمولا بازده بالاتر، وزن کمتر و ابعاد کوچک تری دارند؛ در مقابل، مدارهای خطی در برخی کاربردهای حساس که نویز بسیار پایین اهمیت دارد، همچنان مورد استفاده قرار می گیرند. اجزای اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ برای تشریح منبع تغذیه سوئیچینگ باید بخش های اصلی آن و نحوه ارتباط این بخش ها با یکدیگر را بررسی کنیم. ساختار منبع تغذیه سوئیچینگ بسته به نوع مدار و توان خروجی می تواند متفاوت باشد، اما در یک SMPS معمولی چند بخش اصلی وجود دارد که وظیفه هر کدام با دیگری متفاوت است. فیلتر ورودی: فیلتر ورودی برای کاهش نویزهای الکتریکی و جلوگیری از انتقال تداخلات فرکانس بالا بین منبع تغذیه و شبکه برق استفاده می شود. این بخش معمولا از ترکیبی از سلف، خازن و قطعات حفاظتی تشکیل می شود. یکسوساز: در منابعی که ورودی آنها AC است، مدار یکسوساز جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کند تا امکان پردازش آن در بخش سوئیچینگ فراهم شود. ترانزیستور سوئیچینگ: ترانزیستور قدرت، که در بسیاری از مدارها از نوع MOSFET است، وظیفه قطع و وصل سریع جریان را بر عهده دارد. کنترل همین کلیدزنی، مقدار انرژی منتقل شده به خروجی را تعیین می کند. ترانسفورماتور فرکانس بالا: در منابع تغذیه ایزوله، ترانسفورماتور فرکانس بالا برای انتقال انرژی و ایجاد جداسازی الکتریکی بین ورودی و خروجی استفاده می شود. فرکانس بالای سوئیچینگ باعث می شود اندازه این ترانس نسبت به ترانس های 50 هرتز بسیار کوچک تر باشد. یکسوساز و فیلتر خروجی: پس از انتقال انرژی به سمت خروجی، ولتاژ باید یکسوسازی و فیلتر شود تا ریپل آن کاهش پیدا کند و ولتاژ DC مناسب برای بار به دست آید. مدار کنترل و فیدبک: مدار کنترل، خروجی منبع تغذیه را بررسی می کند و با تغییر نحوه سوئیچینگ، ولتاژ خروجی را در محدوده مورد نظر نگه می دارد. در بسیاری از منابع ایزوله، فیدبک با استفاده از اپتوکوپلر بین بخش اولیه و ثانویه منتقل می شود. نحوه کار منبع تغذیه سوئیچینگ منبع های تغذیه سوئیچینگ یا SMPS ها به جای منابع تغذیه AC به DC خطی سنتی به کار می روند که تولید گرما، مصرف توان، وزن و اندازه مدار را کاهش می دهند. امروزه منبع های تغذیه سوئیچینگ در تقویت کننده های توان، کامپیوترها، تلویزیون ها، درایو موتورهای dc و… به کار گرفته می شوند. بر طبق تعاریف، منبع سوئیچینگ (SMPS) نوعی منبع تغذیه است که از روش های سوئیچینگ مبتنی بر نیمه هادی برای رسیدن به ولتاژ خروجی مناسب و مطلوب استفاده می کند. مبدل سوئیچینگ پایه از یک مدار کنترل و یک بخش سوئیچینگ توان تشکیل شده است. بخش سوئیچینگ توان، تبدیل توان را از ولتاژ ورودی VIN مدار به ولتاژ خروجی VOUT انجام می دهد که فیلتر خروجی هم دارد. ویژگی اصلی منبع تغذیه سوئیچینگ بازده بالاتر آن در مقایسه با رگولاتورهای خطی استاندارد است. مهره اصلی در رسیدن به این بازده یک ترانزیستور (یا ماسفت) می باشد که بین دو وضعیت (ON) و (OFF) سوئیچ می کند و موجب هدر رفت توان و انرژی کمتری می شود. وقتی ترانزیستور کاملاً ON باشد و جریان را هدایت نماید، افت ولتاژ آن در حداقل خود خواهد بود و هنگامی که به طور کامل OFF شود جریانی از آن عبور نخواهد کرد. و در آخر، ترانزیستور شبیه یک سوئیچ یا کلید ایده آل عمل خواهد کرد. پس در نتیجه، برخلاف رگولاتور های خطی که فقط تنظیم ولتاژ را به صورت کاهنده انجام می دهند، یک منبع سوئیچینگ می تواند افزاینده، کاهنده و یا وارون گر پلاریته ولتاژ ورودی باشد. سه مدار بوست (Boost) ، سوئیچینگ باک Buck و باک-بوست که به ترتیب افزاینده، کاهنده و وارون گر پلاریته ولتاژ هستند، مدار های پایه منبع تغذیه سوئیچینگ را تشکیل می دهند. تفاوت این مدار ها در مکان های قرار گرفتن سوئیچ، خازن و سلف خروجی در مدار می باشد. در ادامه، با مبدل های سوئیچینگ آشنا می شویم. مراحل کار منبع تغذیه سوئیچینگ نحوه استفاده از منبع تغذیه سوئیچینگ شامل چند مرحله است که به صورت ساده و خلاصه در ادامه آورده شده است. ورود انرژی: ولتاژ AC یا DC وارد مدار می شود. یکسو سازی و فیلتر اولیه: در صورت AC بودن ورودی، ولتاژ ابتدا یک سو و فیلتر می شود. سوئیچینگ با فرکانس بالا: ترانزیستور قدرت، جریان را با سرعت بالا قطع و وصل می کند. انتقال و تبدیل انرژی: انرژی از طریق سلف یا ترانسفورماتور فرکانس بالا به بخش خروجی منتقل می شود. یکسو سازی و فیلتر خروجی: ولتاژ خروجی یکسو و فیلتر می شود تا ریپل کاهش پیدا کند. کنترل و فیدبک: مدار کنترل، خروجی را اندازه گیری کرده و با تغییر وضعیت سوئیچ، ولتاژ خروجی را تنظیم می کند. منبع تغذیه سوئیچینگ ایزوله و غیر ایزوله یکی دیگر از روش های دسته بندی منابع تغذیه سوئیچینگ، توجه به وجود یا نبود ایزولاسیون الکتریکی بین ورودی و خروجی است. منبع تغذیه سوئیچینگ ایزوله در منابع ایزوله، ورودی و خروجی از نظر الکتریکی به صورت مستقیم به یکدیگر متصل نیستند و انتقال انرژی معمولا از طریق ترانسفورماتور انجام می شود. این ساختار زمانی اهمیت بیشتری پیدا می کند که جداسازی الکتریکی ورودی از خروجی برای ایمنی یا طراحی مدار مورد نیاز باشد. فلای بک، فوروارد، نیم پل و تمام پل از نمونه های شناخته شده توپولوژی های ایزوله هستند. منبع تغذیه سوئیچینگ غیر ایزوله در منابع غیر ایزوله، بین ورودی و خروجی ایزولاسیون گالوانیکی وجود ندارد. مبدل های باک، بوست و باک بوست نمونه های رایج این گروه هستند. این ساختارها معمولا مدار ساده تر و ابعاد کوچک تری دارند و در بسیاری از مبدل های DC به DC مورد استفاده قرار می گیرند. رگولاتور سوئیچینگ باک مبدل باک یک نوع مدار تغذیه سوئیچینگ است که برای کاهش ولتاژ ورودی بدون تغییر پلاریته طراحی شده است. به بیانی دیگر، رگولاتور سوئیچینگ باک یک مدار کاهنده است. برای مثال، ولتاژ 12+ را به ولتاژ 5+ ولت تبدیل می کند. رگولاتور باک یک مبدل DC به DC و یکی از ساده ترین و البته محبوب ترین رگولاتورهای سوئیچینگ می باشد. در مبدل باک، ترانزیستور سری TR1 وجود دارد که وظیفه کنترل ولتاژ خروجی را برعهده دارد. مبدل باک، بسته به اینکه ترانزیستور سوئیچینگ TR1 خاموش یا روشن باشد، دو وضعیت عملکرد دارد. وقتی که ترانزیستور بایاس ON باشد، دیود D1 بایاس معکوس می شود و ولتاژ ورودی VIN سبب برقراری جریان در سیم پیچ سلف شده و از طریق آن خازن متصل به بار شارژ می شود. وقتی جریان از سلف می گذرد، یک نیروی محرکه الکتریکی معکوس (Back-EMF) تولید می شود که طبق قانون «فارادی» تا زمانی که به حالت ماندگار برسد با عبور جریان مخالف است. هنگامی که ترانزیستور خاموش می شود، ولتاژ ورودی امیتر برای لحظه ای قطع خواهد شد و سبب می شود که میدان مغناطیسی حول سلف با یک ولتاژ معکوس کاهش یابد. این ولتاژ معکوس باعث می شود تا دیود بایاس مستقیم شده و انرژی ذخیره در میدان مغناطیسی سلف باعث ادامه عبور جریان در جهت قبلی خواهد بشود. این جریان، بار را تغذیه می کند و از طریق دیود به سلف باز می گردد. در این وضعیت، تا زمانی که ترانزیستور به حالت هدایت برگردد، سلف، مانند یک منبع، بار را تغذیه می کند. در همین حین، خازن نیز تخلیه می شود و جریان بار را تأمین می کند. ترکیب خازن و سلف یک فیلتر LC را تشکیل می دهد که ریپل خروجی ایجاد شده توسط سوئیچینگ ترانزیستور را حذف می کند. بنابراین، وقتی ترانزیستور هدایت نکند، جریان توسط سلف تأمین خواهد شد و وقتی که هدایت کند، جریان از منبع کشیده می شود. توجه کنید که جریان گذرنده از سلف باید همواره در یک جهت قرار گیرد. از آنجایی که ترانزیستور به طور پیوسته روشن و خاموش می گردد، مقدار ولتاژ خروجی میانگین آن را می توان با در نظر گرفتن از معیاری به نام سیکل وظیفه (Duty Cycle) یا سیکل کاری تعیین کرد. سیکل وظیفه یا دیوتی سایکل برابر است با نسبت زمان هدایت ترانزیستور به مجموع زمان قطع و هدایت آن. اگر VIN ولتاژ ورودی باشد و مدت زمان روشن و خاموش بودن ترانزیستور به ترتیب، tON و tOF باشند، ولتاژ خروجی مبدل باک می توانیم به صورت کلی اینگونه مطرح کنیم: VOUT=tON(tON+tOFF)×V IN با استفاده از معنای سیکل کاری می شود ولتاژ خروجی را به صورت زیر بیان کرد: D=tON(tON+tOFF)=tONT D≈VOUTVIN⇒VOUT=DVIN در نتیجه، هرچه سیکل کاری بیشتر شود، ولتاژ خروجی DC میانگین منبع تغذیه سوئیچینگ نیز بیشتر می شود. با توجه به رابطه بالا می توان دید که ولتاژ خروجی به طور پیوسته از ولتاژ ورودی کمتر است؛ زیرا سیکل کاری همیشه در مقداری کمتر از یک قرار دارد. یکی از ویژگی های مثبت مبدل باک این است که ترکیب خازن و سلف آن باعث فیلترسازی مناسب جریان خواهد شد. در حالت مورد انتظار، مبدل باک باید در مُد سوئیچینگ همواره کار کند و جریان سلف هیچ گاه به صفر نرسد. اگر عناصر مدار ایده آل باشند، در حالت ON سوئیچ افت ولتاژ صفر خواهد بود و بازدهی مبدل باک صد درصد می باشد. رگولاتور سوئیچینگ بوست مبدل سوئیچینگ بوست نوع دیگری از منبع سوئیچینگ است که عملکرد آن مشابه رگولاتور باک است، با این تفاوت که ولتاژ خروجی به مقدار قابل توجه ای بزرگتر از ولتاژ ورودی بوده و پلاریته ورودی را تغییر نمی دهد. به بیانی دیگر، مبدل بوست یک مدار رگولاتور افزاینده ولتاژ می باشد که برای مثال ولتاژ 5+ ولت در ورودی را به 12+ ولت خروجی تبدیل می کند. در رگولاتور بوست از یک ترانزیستور سوئیچینگ موازی برای کنترل ولتاژ خروجی استفاده می شود و از آن جایی که ترانزیستور به صورت موازی با خروجی در مدار مبدل قرار گرفته است، انرژی وقتی از سلف به خروجی منتقل می شود که ترانزیستور خاموش باشد. در مدار رگولاتور بوست وقتی ترانزیستور کاملاً ON باشد، انرژی از منبع VIN به سلف منتقل می شود و از طریق ترانزیستور به منبع باز می گردد. بنابراین، هیچ گونه بخشی از جریان به بار منتقل نمی شود؛ چون در این حالت ترانزیستور اشباع شده و مانند یک اتصال کوتاه عمل می کند. در نتیجه، جریان گذرنده از سلف افزایش می یابد؛ زیرا یک مسیر داخلی کوتاه تر برای برگشت جریان به منبع وجود دارد. در همین حین، دیود بایاس معکوس می شود، به دلیل اینکه آند آن به سبب هدایت ترانزیستور تعیین شده است. و در آخر خازن در بار تخلیه می شود. هنگامی که ترانزیستور به طور کامل OFF شود، منبع ورودی از سلف و دیود سری به خروجی متصل می شوند. از آن جایی که در این وضعیت میدان سلف کاهش می یابد، انرژی ذخیره شده از دیودی که در حال حاضر بایاس مستقیم را هدایت می کند به خروجی انتقال می یابد. پس، ولتاژ القایی سلف L1 معکوس شده و با ولتاژ ورودی جمع می گردد. و در نهایت، ولتاژ خروجی برابر با VIN+VL خواهد بود. ولتاژ القایی سلف L1 به منبع افزوده شده و باعث عبور جریان از سلف به بار می شود. ولتاژ خروجی رگلاتور بوست با رابطه زیر محاسبه می شود: VOUT=VIN1(1−D) رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست مبدل سوئیچینگ باک-بوست، ترکیبی از رگلاتور باک و بوست است که و انرژی خروجی آن منفی و یا معکوس ولتاژ ورودی است و از نظر اندازه می تواند کوچکتر یا بزرگتر از آن باشد. هنگامی که ترانزیستور TR1 روشن می شود، ولتاژ سلف برابر با ولتاژ منبع ورودی خواهد بود. در این وضعیت، جریانی از خروجی عبور نخواهد کرد، زیرا دیود D1 بایاس منفی شده است. زمانی که ترانزیستور خاموش گردد، دیود بایاس مستقیم شده و انرژی که قبل تر در سلف ذخیره شده بود به بار منتقل می گردد. به بیانی دیگر، وقتی ترانزیستور روشن باشد، انرژی از منبع DC به بار منتقل می گردد و وقتی خاموش شود انرژی سلف به بار منتقل خواهد شد. پس، در حالتی که ترانزیستور خاموش است، ولتاژ بار برابر با سلف خواهد بود و در نتیجه آن، ولتاژ خروجی معکوس توانایی این را دارد که کوچکتر، بزرگتر و یا مساوی با اندازه ولتاژ منبع DC (ورودی) باشد. به طور مثال، مبدل باک-بوست مثبت به منفی این قدرت را دارد که ۵ ولت را به 12- ولت و یا ۱۲ ولت را به 5- ولت تبدیل کند. ولتاژ خروجی وضعیت ماندگار مبدل سوئیچینگ باک-بوست به صورت زیر محاسبه می شود: VOUT=–VIN(D1–D) نام این رگلاتور هم از این موضوع می آید که اندازه ولتاژ خروجی آن می تواند بزرگتر مانند رگلاتور بوست یا کوچکتر مانند رگلاتور باک از اندازه ولتاژ منبع ورودی باشد. البته پلاریته خروجی برعکس پلاریته ورودی است. کاربردهای منبع تغذیه سوئیچینگ منبع تغذیه سوئیچینگ به دلیل راندمان مناسب، ابعاد کوچک و قابلیت تبدیل سطوح مختلف ولتاژ، در طیف گسترده ای از تجهیزات الکترونیکی و صنعتی استفاده می شود. مهم ترین کاربردهای آن عبارتند از: کامپیوتر و لپ تاپ: تامین ولتاژ مورد نیاز بخش های مختلف سیستم. شارژرها و آداپتورها: تبدیل و تنظیم ولتاژ برق ورودی برای شارژ یا تغذیه تجهیزات. تجهیزات شبکه و مخابرات: تامین ولتاژ پایدار برای سوئیچ ها، روترها و تجهیزات ارتباطی. سیستم های روشنایی LED: تامین جریان و ولتاژ مناسب برای مدارهای LED. تابلوهای برق و اتوماسیون صنعتی: منابع 24 ولت و سایر ولتاژهای DC برای PLC، سنسورها، رله ها و تجهیزات کنترلی. تجهیزات صوتی و تصویری: استفاده در تلویزیون، نمایشگرها، سیستم های صوتی و تجهیزات مشابه. تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی: منبع تغذیه سوئیچینگ آزمایشگاهی نوعی منبع تغذیه قابل تنظیم است که برای تامین ولتاژ و جریان مورد نیاز در آزمایش، تعمیر و توسعه مدارهای الکترونیکی استفاده می شود. تجهیزات قابل حمل و باتری ها: تبدیل سطح ولتاژ باتری برای تغذیه مدارهای مختلف. ماشین آلات و تجهیزات صنعتی: تامین توان مدارهای کنترل، درایورها و بخش های الکترونیکی دستگاه ها. مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ مهم ترین مزایای استفاده از منابع تغذیه سوئیچینگ عبارتند از: راندمان بالا و کاهش تلفات انرژی تولید حرارت کمتر نسبت به منابع خطی مشابه وزن و حجم کمتر امکان دستیابی به توان خروجی مناسب در ابعاد کوچک قابلیت کار با محدوده وسیع تری از ولتاژ ورودی در طراحی های مناسب امکان افزایش، کاهش یا معکوس کردن ولتاژ با استفاده از توپولوژی مناسب مناسب بودن برای تجهیزات الکترونیکی، صنعتی و قابل حمل امکان استفاده از مدارهای حفاظتی و کنترلی مختلف معایب منبع تغذیه سوئیچینگ در کنار مزایای متعدد، منابع تغذیه سوئیچینگ محدودیت هایی نیز دارند که در زمان طراحی یا انتخاب باید در نظر گرفته شوند: مدار آنها نسبت به منابع تغذیه خطی پیچیده تر است. کلیدزنی با فرکانس بالا می تواند باعث ایجاد نویز الکترومغناطیسی (EMI) شود و به فیلتر و طراحی مناسب نیاز داشته باشد. وجود ریپل در خروجی می تواند در مدارهای حساس اهمیت بیشتری پیدا کند. قطعات سوئیچینگ و مدار کنترل باید متناسب با توان و شرایط کاری انتخاب شوند. در توان های بالا، دفع حرارت همچنان اهمیت دارد. در صورت طراحی یا انتخاب نامناسب، اضافه بار، اتصال کوتاه یا افزایش دما می تواند به منبع یا بار آسیب وارد کند؛ به همین دلیل وجود مدارهای حفاظتی اهمیت دارد. نویز و ریپل در منبع تغذیه سوئیچینگ چیست؟ به دلیل عملکرد منبع تغذیه سوئیچینگ در فرکانس بالا، سیگنال خروجی کاملا ایده آل نیست و مقداری نوسان و مؤلفه های ناخواسته در آن وجود دارد. به تغییرات دوره ای ولتاژ DC خروجی، ریپل گفته می شود و تداخل ناشی از عملکرد مدار و انتشار یا انتقال ناخواسته انرژی الکتریکی نیز می تواند به صورت نویز و EMI ظاهر شود. مقدار قابل قبول ریپل و نویز به نوع مصرف کننده بستگی دارد. در مدارهای دیجیتال ساده ممکن است حساسیت کمتری وجود داشته باشد، اما در تجهیزات اندازه گیری، صوتی یا برخی مدارهای حساس، انتخاب منبع با مشخصات مناسب و فیلتر گذاری صحیح اهمیت بیشتری پیدا می کند. سوالات متداول آیا منبع تغذیه سوئیچینگ بدون بار هم قابل استفاده است؟ بسته به طراحی منبع متفاوت است؛ بعضی مدل ها برای کار بدون بار مناسب نیستند. چرا منبع تغذیه سوئیچینگ صدا می دهد؟ معمولا صدا می تواند به ارتعاش قطعات مغناطیسی یا عملکرد مدار در شرایط خاص مربوط باشد. آیا می توان منبع تغذیه سوئیچینگ را برای مدت طولانی روشن گذاشت؟ اگر برای کار مداوم طراحی شده باشد و در محدوده مجاز بار و دما کار کند، بله. از کجا بفهمیم منبع تغذیه سوئیچینگ خراب شده است؟ افت یا نوسان غیرعادی خروجی، روشن نشدن یا قطع و وصل شدن مکرر می تواند نشانه خرابی باشد. آیا افزایش آمپر منبع تغذیه به دستگاه آسیب می زند؟ خیر، به شرطی که ولتاژ خروجی صحیح باشد؛ دستگاه به اندازه نیاز خود جریان می کشد. چرا منبع تغذیه سوئیچینگ داغ می شود؟ افزایش بار، تهویه نامناسب، خرابی قطعات یا کارکرد طولانی در شرایط نامناسب می تواند باعث افزایش دما شود. آیا منبع تغذیه سوئیچینگ برای مدارهای حساس مناسب است؟ بله، اما باید مدلی با ریپل و نویز مناسب برای همان کاربرد انتخاب شود. تعداد بازدید ۶۱۳۸ میانگین امتیاز کاربران: 0.0 (0 رای) 12345 امتیاز 12345 برای امتیاز باید عدد وارد کنید ایمیل را وارد کنید ایمیل صحیح نیست ایمیل نمایش داده شود. تعداد کاراکتر باقیمانده: 500 نظر خود را وارد کنید بازخوانی بازخوانی پس از انتشار این نظر، به من اطلاع داده شود. ارسال